摘要(yào):以DN50渦輪(lun)流量計(ji) 爲例，采(cai)用CFD方法(fǎ)模拟了(le)方波和(hé)正弦波(bo)兩種脈(mo)動流在(zài)渦輪流(liu)量計中(zhong)的流動(dòng)。發現在(zài)不同波(bō)形、振幅(fu)、頻💯率下(xià)的脈動(dòng)流對渦(wō)輪流量(liàng)計的影(ying)響具有(you)差異性(xìng)。各工況(kuàng)🔆下差異(yì)性的來(lai)源，從流(liu)場速度(dù)👄和葉輪(lún)所受剪(jian)切力，分(fèn)析渦輪(lún)流量計(jì)在不✌️同(tóng)工況的(de)脈動流(liu)下内部(bu)流場的(de)變化。發(fā)現兩💋種(zhong)脈動流(liú)在同頻(pin)率同振(zhen)📐幅的波(bō)峰時，對(dui)比正弦(xián)波脈動(dòng)流，方波(bō)脈動流(liú)下葉🐉輪(lun)周圍的(de)流場速(su)度更快(kuài)✔️，葉輪所(suo)受到的(de)剪切應(yīng)力更😄大(dà)，持續時(shi)間長，力(li)😍矩峰值(zhí)更大，這(zhe)是造🙇🏻成(chéng)方波誤(wù)差大的(de)根本原(yuan)因。
0引言(yan)
　　天然氣(qi)作爲清(qīng)潔高效(xiao)的綠色(se)能源，已(yi)被廣泛(fàn)應用于(yu)人民生(shēng)活和工(gōng)業生産(chan)中，天然(ran)氣的正(zhèng)确計量(liang)是利益(yi)相關方(fāng)的🙇‍♀️關注(zhù)🔞重點🔅。渦(wo)輪流量(liàng)計在使(shi)用中具(jù)有精度(dù)高、重複(fu)❄️性好、壓(ya)損小等(deng)優點。但(dàn)是，在天(tiān)然氣大(da)流量管(guǎn)輸、天然(rán)氣大流(liu)量檢定(ding)站中，由(yóu)🌈于流體(ti)管🌏輸變(biàn)化、動力(li)機械旋(xuan)轉、調節(jiē)閥的動(dong)作等，都(dōu)可能産(chǎn)生脈動(dòng)流，會對(dui)🥰渦輪流(liu)量計現(xian)場應用(yong)産生的(de)測量誤(wù)差。
　　目前(qián)都聚焦(jiao)正弦波(bo)脈動流(liú)對渦輪(lún)流量計(ji)的影響(xiǎng)👈，關⚽注♉脈(mo)動🤩頻率(lǜ)和振幅(fu)，但是正(zhèng)弦波脈(mò)動流與(yǔ)實際脈(mò)動流之(zhi)間存在(zai)較大區(qū)别，爲了(le)更好地(dì)實現脈(mo)動流修(xiū)正，讨論(lùn)和分析(xi)脈動流(liú)影響渦(wō)輪流量(liàng)計的關(guan)鍵要素(sù)是⭐必要(yao)的。
　　爲了(le)獲取脈(mò)動流影(yǐng)響渦輪(lun)流量計(ji)的關鍵(jian)要素，利(li)🤩用⁉️CFD仿真(zhēn)，對比和(hé)分析正(zhèng)弦波以(yǐ)及方波(bō)脈動流(liú)對渦輪(lun)流🈲量計(jì)影響的(de)差異性(xing)，從流場(chang)速度以(yǐ)及葉輪(lun)所受剪(jian)切㊙️力兩(liǎng)個方面(miàn)來探究(jiū)差✉️異性(xìng)的來源(yuán)所在。
1計(jì)算流體(tǐ)力學仿(pang)真方法(fǎ)
1.1模型建(jiàn)立及網(wang)格劃分(fèn)
　　以1.5級DN50氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)爲原型(xíng)，并對其(qí)進行仿(páng)真。其🍉内(nei)部基🤩本(běn)結構參(can)數詳見(jiàn)表1。建立(li)仿真模(mó)型，對渦(wō)輪量計(ji)🤩進行💃内(nei)部流場(chǎng)㊙️的提💃🏻取(qǔ)。前後直(zhi)管段同(tong)軸安裝(zhuāng)，前直管(guan)段長爲(wei)10D，後直管(guan)段5D。前後(hou)直管段(duàn)的網格(ge)尺寸爲(wei)3mm,葉輪周(zhōu)圍的網(wang)格尺寸(cùn)爲1mm，導流(liu)片前後(hòu)💯爲1mm,葉輪(lun)邊沿的(de)網格尺(chi)寸爲0.2mm,對(dui)結構邊(bian)緣及狹(xia)縫進行(háng)加密處(chù)🌈理，網格(ge)總數爲(wèi).262萬。
1.2邊界(jie)條件
　　入(rù)口采用(yòng)速度入(rù)口條件(jian)(Velocit-inlet)，出口采(cǎi)用壓力(li)出口條(tiáo)件(Pressure-outlet)，選🔴擇(zé)渦輪流(liú).量計的(de)分界流(liú)量點進(jìn)行數值(zhí)仿真。該(gāi)流量⛹🏻‍♀️計(jì)的分界(jiè).流量點(dian)爲㊙️20m3/h,換算(suàn)平均入(ru)口流速(sù)爲2.83m/s。出口(kǒu)壓力設(shè)置爲0.5MPa。流(liu)體介質(zhì)爲空氣(qì)，密度爲(wei)1.225kg/m3，動力黏(nián)度爲1.79X10-5kg/(m.s)。選(xuan)擇的🐉湍(tuān)流模型(xing)爲Realizablek-e模型(xing)。運動模(mo)型采用(yong)6DOF模型。
 
 

入(rù)口速度(du)表達式(shi)如下所(suo)示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中(zhong)，V1，,V2-----分别爲(wèi)正弦波(bo)、方波速(sù)度入口(kou)的瞬時(shi)速度，m/s。
1.3儀(yí)表系數(shù)獲取方(fāng)法及結(jié)果
　　仿真(zhēn)結束後(hou)，在葉輪(lun)的輪毂(gu)上取一(yī)個點P，通(tōng)過後處(chu)理🔴軟件(jiàn)，獲得葉(ye)輪旋轉(zhuǎn)穩定後(hou)的平均(jun)線速度(du)速度vp,通(tong)過⭕公式(shi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻(3)可計算(suan)葉輪的(de)轉速。
 
式(shi)中。n一葉(yè)輪轉速(su)，單位:r/s;rp一(yī)點P繞X軸(zhou)旋轉的(de)半徑。
　　再(zai)由轉速(sù)n計算渦(wo)輪流量(liang)計的儀(yi)表系數(shù)K。折算後(hou)的儀表(biǎo)系數結(jié)果如表(biǎo)2所示，脈(mo)動流下(xià)的渦輪(lun)流量計(ji)🏒存在☔着(zhe)正誤差(chà)，相同振(zhen)幅、頻率(lü)下，不同(tóng)波形脈(mo)動流對(duì)渦輪流(liú)量計📞的(de)影響依(yī)然存在(zai)差異性(xing)。
2流場速(su)度分布(bù)
　　以5Hz不同(tong)波形脈(mo)動流作(zuo)用的渦(wo)輪流量(liàng)計流場(chang)對比分(fèn)析。圖1所(suǒ)示🏒爲方(fang)波脈動(dòng)流在四(sì)種振幅(fu)下對應(ying)穩定後(hou)一個🥵周(zhou)期T内葉(yè)輪周圍(wéi)的流場(chang)速度分(fèn)布圖，從(cóng)左到右(yòu)時間點(dian)🤟依次爲(wèi)0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波(bō)工況下(xià)🔴，0T、0.25T時的流(liu)場速度(dù)明顯比(bi)🌈0.5T、0.75T時的流(liu)場速度(du)更快🏃，随(sui)着振幅(fu)的加大(dà)，0T.0.25T時的流(liú)場速度(du)🌈增大，而(ér)0.5T.0.75T時的✔️流(liu)場速度(du)則減慢(man)。
　　對比兩(liǎng)種波形(xing)的速度(du)分布圖(tú)，同振幅(fú)下的波(bō)峰時，方(fāng)🛀波工況(kuàng)下❓流場(chǎng)速度略(luè)大于正(zhèng)弦波工(gōng)況，且方(fang)波的高(gao)流速持(chí)續時間(jiān)比正弦(xián)波的高(gāo)流速持(chi)續時間(jian)❤️長。
 
3葉輪(lún)剪切應(yīng)力分布(bù)
　　圖3~圖4分(fèn)别是5Hz時(shi)方波、正(zheng)弦波脈(mo)動流下(xià)葉輪，所(suo)受力矩(jǔ)🛀。除了流(liú)量突變(biàn)點外，葉(ye)輪所受(shòu)力矩與(yu)流量波(bō)形近似(si)。
　　以5Hz不同(tóng)波形脈(mò)動流作(zuò)用的渦(wō)輪流量(liang)計葉輪(lun)所受剪(jian)切🌂力對(duì)比分析(xī)。方波脈(mò)動流在(zai)四種振(zhèn)幅下穩(wen)定後一(yi)個周期(qī)T内👈，分析(xi)葉輪所(suǒ)受到的(de)剪切應(ying)力分布(bu)。葉輪的(de)剪切應(ying)👈力在0T、0.25T達(dá)到最大(da)，随着振(zhen)幅增大(da)而增大(dà);在0.5T、0.75T時達(dá)到最小(xiao)，随着振(zhèn)幅的增(zēng)大而減(jiǎn)小。正弦(xian)波⛷️脈動(dong)流在四(sì)種振幅(fú)下穩定(ding)後一個(gè)周⁉️期T内(nei)，分析葉(ye)🐆輪所受(shòu)到的剪(jiǎn)切應力(lì)分布。在(zài)㊙️0T、0.5T時，葉輪(lun)所受應(ying)力幾乎(hū)不随振(zhèn)幅變化(huà)，在0.25T時即(jí)在波峰(feng)時的應(ying)力随着(zhe)振🌏幅加(jiā)大而增(zēng)加,在0.75T時(shí)随着振(zhen)幅增大(da)而減小(xiǎo)。
4總結與(yǔ)讨論
　　對(dui)口徑爲(wei)DN50的氣體(ti)渦輪流(liú)量計仿(páng)真建模(mo)，進行了(le)一系列(lie)仿💃真實(shí)驗，以入(ru)口脈動(dong)流的波(bo)形、頻率(lǜ)、振幅爲(wei)變量♍條(tiáo)件，完成(cheng)了相關(guan)仿真實(shi)驗。通過(guo)仿真數(shu)據分析(xī)可知:
(1)脈(mò)動流作(zuò)用下，渦(wō)輪流量(liang)計會出(chū)現正誤(wù)差。由流(liu)場速❗度(du)☀️分布、剪(jian)切應力(lì)分布及(ji)葉輪所(suǒ)受到的(de)力矩可(kě)以看出(chu)，葉輪轉(zhuǎn)🌐速相對(duì)穩定後(hòu)，脈動作(zuò)用過程(chéng)中葉輪(lun)加速和(he)減速時(shí)間幾🙇🏻乎(hu)相同，而(er)相同流(liu)量的脈(mò)動流下(xia)的葉輪(lun)轉速比(bi)定常流(liú)下的高(gao)，表明加(jiā)速過程(cheng)響應更(gèng)快。即葉(yè)輪在加(jiā)速過程(chéng)中更爲(wei)敏感，在(zài)相同㊙️流(liú)量升降(jiàng)情況下(xia)，流體流(liu)速上🧡升(sheng)時，葉輪(lún)轉速💋立(lì)馬上升(sheng)，而流速(sù)下降時(shi)，葉輪轉(zhuan)速下降(jiang)較緩慢(man)或者延(yan)🐇遲下降(jiàng)，從而使(shǐ)得脈動(dong)流下葉(yè)輪轉速(sù)💰高♌于定(ding)常流下(xia)的葉輪(lun)轉速，始(shǐ)終産生(sheng)正誤差(cha)。

 
(2)相同頻(pin)率振幅(fú)下，不同(tong)波形的(de)脈動流(liú)産生的(de)誤差大(dà)小不同(tong)。方波脈(mò)動流對(dui)應的誤(wù)差最大(da)，其次是(shì)正弦波(bō)。通過速(sù)度分布(bu)圖可⛷️以(yǐ)看出，在(zài)相同頻(pín)率振幅(fú)💋的波峰(fēng)時，方波(bo)💁脈動流(liú)✉️下葉輪(lun)周圍的(de)流場速(sù)度和應(ying)力都要(yao)比其他(tā)兩種波(bo)形的🛀脈(mò)動流更(gèng)大。在方(fāng)波🙇🏻作用(yòng)下，一個(gè)周期内(nèi)葉輪被(bei)加速的(de)時間更(gèng)長，導緻(zhì)了相同(tóng)頻率振(zhen)幅下，方(fang)波工況(kuang)下葉輪(lún)轉速比(bi)⭕正弦波(bo)轉速更(geng)高。正弦(xián)波脈動(dong)下，葉輪(lun)轉速是(shì)漸變的(de)，從而相(xiàng)比方波(bo)脈動的(de)轉速略(lue)低。
(3)在方(fang)波脈動(dòng)流工況(kuàng)下，葉輪(lun)受的到(dào)沖擊力(li)更強，使(shǐ)葉輪有(you)遭受✍️物(wù)理破壞(huài)的可能(néng)性。針對(duì)脈動流(liú)對渦輪(lun)流🤩量計(ji)的影💁響(xiǎng)，應該還(hai)是盡量(liàng)從振源(yuán)避免脈(mò)動流;在(zai)不能避(bì)免脈動(dong)流⚽時，應(ying)遠離振(zhen)源，或者(zhe)是增加(jia)💃🏻流動調(diao)整❄️器，降(jiàng)低脈動(dong)頻率、振(zhen)幅，盡量(liàng)消除類(lèi)似脈動(dòng)突增，保(bǎo)護渦輪(lún)流量計(jì)、控制測(cè)量誤差(cha);智能渦(wo)輪流量(liang)計，可以(yi)考慮在(zai)流量計(ji)的積算(suan)模塊增(zēng)加脈動(dong)流修正(zheng)公式，實(shí)現👅對渦(wō)輪✉️流量(liang)計脈動(dòng)流誤差(chà)的修正(zhèng)補償，保(bǎo)障流量(liang)計在有(yǒu)脈動流(liu)工況下(xià)的測量(liàng)精度。

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